Molekulární biologie pro
informatiky - 9
Regulace buněčného cyklu
2001 - Nobelova cena za objevy v oblasti buněčného cyklu
Leland Hartwell - specifické geny řídící buněčný cyklus
- pojem kontrolní body buněčného cyklu
Paul Nurse - cyklin-depenentní kinázy
- evoluční konzervativnost
Timothy Hunt - cykliny
- degradace během buněčného cyklu
Historie objevů buněčného cyklu
„When a cell arises, there must be a previous cell,
just as animals can only arise from animals and plant from plants.“
Rudolph Virchow, 1858
http://www.slideshare.net/SaifulAlom/nobel-2014-43059120 https://en.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Virchow#/media/File:Rudolf_Virchow_NLM4.jpg
Dělení buněk
Prokaryota
• příčné dělení buněk
Eukaryota
• dělení buněk nezbytné pro
- růst organizmu
- náhradu poškozených a starých buněk
- šíření genetické informace: mitóza, meióza
http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/Chap01/week01.html http://sciencelife.uchospitals.edu/2015/05/22/cutting-through-a-cell-division-mystery/
• před rozdělením se buňka musí zvětšit,
zduplikovat chromozomy a přesně je rozdělit
do dceřiných buněk
• koordinace procesů v rámci buněčného cyklu
• dělení buněk je přísně řízeno
• abnormální vývoj může být příčinou nádorů
Buněčný cyklus
Interfáze
• růst buňky, duplikace organel, zvýšený metabolismus
G1 syntéza RNA a proteinů
příprava na syntézu DNA (replikační proteiny, histony)
S syntéza DNA, duplikace chromozomů
G2 pokračuje syntéza RNA a proteinů
příprava na M fázi (mitotické vřeténko)
M fáze
• mitóza, cytokineze
• kondenzace chromatinu
• rozpad jaderné membrány
• tvorba vřeténka a kinetochorů
• separace chromatid
• rozpad vřeténka
• dekondenzace chromatinu
• tvorba membrány, rozdělení buňky
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html http://www.bio.utexas.edu/faculty/sjasper/bio212/mitosis.html
Kondenzující
chromozomy
Centromera
Sesterské
chromatidy
Mitotické
vřeténko
Separace sesterských
chromatid
Tvorba dceřiných
buněk
MITÓZA
CYTOKINEZE
Buněčný cyklus
Syntéza DNA během buněčného cyklu
• DNA se replikuje před vlastním rozdělením buňky
• duplikace chromozomů
• buňka v G2 fázi má 2x vyšší obsah DNA než v G1 fázi
• kopie chromozomů jsou spojeny v oblasti centromery
• sesterské chromatidy, které se při dělení jádra oddělují
Sesterské
chromatidy
sphweb.bumc.bu.edu http://genes.atspace.org/27.1.html
Syntéza proteinů a RNA během buněčného cyklu
• stejně rychlá během interfáze
• v M fázi klesá syntéza proteinů a zastavuje se syntéza RNA
• histony se tvoří pouze v G1 a S fázi
Buněčný cyklus
Časové nároky buněčného cyklu
• buňky bez schopnosti se dělit (neurony, svalové b., červené krvinky)
• buňky dělící jen za určitých podmínek (jaterní buňky, lymfocyty)
• rychle se dělící buňky (epiteliální, krevní kmenové buňky)
• většinu doby zabírá interfáze
• proliferující lidská buňka má cca 22 hodinový cyklus
• kvasinky 1,5 - 3 hod, střevní epitel 12 hod, savčí fibroblasty v kultuře
20 hod, savčí játra cca 1 rok
• klidová fáze G0
Bod restrikce
• v pozdní G1 fázi
• na přechod z G1 do S je potřeba mimobuněčný signál
• bez tohoto signálu buňka cyklus opustí a vstoupí do G0
Bod restrikce
Růstové faktory
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html http://clinicalgate.com/introduction-to-the-cell-cycle/#cetextbox3
G1 fáze
http://unexpected-grace.blogspot.cz/2013/06/day-3-update.html
• první růstová fáze, dosažení původní velikosti buňky mateřské
• u raných embryí chybí fáze G1 a G2, buňka se dělí a zmenšuje
• tvorba cytoplazmy a nových organel, syntéza RNA a strukturních i regulačních proteinů
• příprava na S fázi (syntéza replikační proteiny a histony)
• v optimálních podmínkách 9 - 11 hod
• genetický materiál ve formě dekondenzovaného chromatinu, 2n molekul DNA (46 u lidí)
• 1. kontrolní bod buněčného cyklu (vnější faktory)
i) vstup do G0 fáze: absence růstových faktorů, senescence, diferencované buňky
ii) vstup do S fáze: přítomnost růstových faktorů
2 buňky 4 buňky 5 buněk 6 buněk 8 buněk 10 buněk
• u raných embryí chybí fáze G1 a G2, buňka se dělí a zmenšuje
S fáze
• semikonzervativní replikace DNA
• v místech ori založeny obousměrné replikační vidlice
• syntéza DNA vyžaduje templátový DNA řetězec a RNA primer
• vedoucí řetězec, opožďující se řetězec (Okazakiho fragmenty)
• telomeráza zajišťuje replikace konců lineárních chromozomů
Směr pohybu
replikační vidlice
Místo spoje fragmentů
Opožďující se řetězec
Okazakiho fragment
RNA-primer
Vedoucí DNA řetězec
• správnost replikace - přesnost a proofreadingová aktivita DNA polymerázy
- oprava chybného párování bází
• zdvojení genetického materiálu, chromozomy složené ze sesterských chromatid
http://www.nature.com/nrm/journal/v8/n6/fig_tab/nrm2180_F2.html
http://novazeme.ning.com/forum/topics/tajemstv-skryt-ho-v-dom?xg_source=activity http://www.osel.cz/8311-jsou-centrioly-nositelkami-informace.html
G2 fáze
• druhá růstová fáze
• příprava na M fázi - proteiny mitotického vřeténka, duplikace centriolu
• 2 x 2n molekul DNA, dekondenzovaný chromatin
• 2. kontrolní bod buněčného cyklu (celistvost DNA, správnost replikace)
Centriola
• párová organela, samostatné dělení
• devět trojic mikrotubulů, centrální dutina
• duplikace v S a G2 fázi
• spolu se svým okolím tvoří centrozom, který organizuje mitotické vřeténko
Triplet mikrotubulů
Spojovací
vlákna
Příčný řez centriolou Uvolnění centriol
M / brzká G1 S G2 Mitóza
Centrozm
Duplikace a elongace Zrání a separace
http://facweb.bhc.edu/academics/science/robertsk/biol100/celldivision.htm http://www.nature.com/nrm/journal/v9/n1/fig_tab/nrm2310_F2.html
M fáze
• dělení jádra (mitóza, karyokineze) a cytoplazmy (cytokineze)
1) Profáze
• kondenzace chromozomů
• posun centrozomů na opačné strany buňky
• v centrozomech zahájena tvorba mitotického vřeténka
2) Prometafáze (pozdní profáze)
• tvorba kinetochorů (proteinový komplex)
- vazba chromozomů na mikrotubuly vřeténka
- vnitřní vrstva váže DNA
- prostřední vrstva
- vnější vrstva váže (+) konce mikrotubulů
2) Prometafáze (pozdní profáze)
• rozpad jaderné membrány a jadérka
• ustálení centrozomů na opačných stranách buňky
• pohyb chromozómů do středu buňky
• mitotické vřeténko
- kinetochorové mikrotubuly: připojeny ke kinetochorům
- polární mikrotubuly: připojeny k tubulům z opačného pólu vřeténka
- astrální mikrotubuly: připojeny k proteinům plazmatické membrány
M fáze
https://en.wikipedia.org/wiki/Spindle_apparatus#/media/File:Kinetochore.jpg
http://facweb.bhc.edu/academics/science/robertsk/biol100/celldivision.htm http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html
Centrozom
Kinetochorové
mikrotubuly
Polární
mikrotubuly
Astrální
mikrotubuly
Dynamika tubulinových podjednotek
http://electronicimaging.spiedigitallibrary.org/article.aspx?articleid=1100191 https://en.wikipedia.org/wiki/Karyotype#/media/File:Sky_spectral_karyotype.png
M fáze
3) Metafáze
• seřazení chromozomů v ekvatoriální rovině mezi póly vřeténka (metafázní destička)
• sesterské chromatidy každého chromozomu připojeny k opačným pólům vřeténka
• karyotyp z buněk zastavených v metafází (kolchicin)
Klasický karyogram
Spektrální karyogram
Metafázní
chromozomy G1 chromozomy
M fáze
4) Anafáze
• separace sesterských chromatid
• pohyb chromatid k pólům vřeténka
• u každého pólu vřeténka shromážděna stejná sada
genetické informace, základ dceřiných buněk
5) Telofáze
• příprava na cytokinezi
• chromozomy začínají dekondenzovat
• rozpad kinetochorů, rozpad mitotického vřeténka, tvorba jadérka
• obnova jaderné membrány
Pohyb chromozomů
k pólům vřeténka
Vzdalování pólů
vřeténka
http://facweb.bhc.edu/academics/science/robertsk/biol100/celldivision.htm http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html
Jaderná membrána během M fáze
G2 Profáze Metafáze
Kondenzace chromatinu
Rozklad jaderných pórů
a jaderné laminy
Tvorba ER s proteiny
jaderné membrányFragmentace jaderné
membrány
Brzká anafáze Pozdní anafáze Telofáze
Tvorba jaderné
membrány
Sestavování jaderných
pórů a příprava laminů
Dokončení
jaderných pórů
Sestavení jaderné
laminy
http://www.nature.com/nrm/journal/v10/n3/full/nrm2641.html
Cytokineze
• rozdělení cytoplazmy po rozdělení chromozomů k opačným pólům vřeténka
• vznik dvou identických dceřiných buněk
• výjimečně replikace a dělení jádra bez cytokineze (endocykly)
- např. brzká vývojová stádia D. melanogaster
Živočišná buňka
• kontraktilní prstenec z aktinových filament, dělící rýhu
Rostlinná buňka
• buněčná destička mezi dceřinými buňkami
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html; http://america.pink/emil-heitz_1423728.html; http://slideplayer.com/slide/6821210/
Živočišná buňka
Kontraktilní prstenec Dceřiné buňky
Dělící rýha
Rostlinná buňka
Dceřiné buňkyPůvodní
buněčná stěna
Tvorba
buněčné destičky
Meióza
Nepohlavní rozmnožování
• vznik dvou identických dceřiných buněk
• např. mitóza, binární dělení
Pohlavní rozmnožování
• spojení dvou buněk za vzniku nové buňky (zygota) je odlišné od
těch původních
Meióza (redukční dělení)
• vznik gamet (vajíčka, spermie)
• interfáze s replikací chromozómů, dvě meiotická dělení
• původní buňka je diploidní (2n), vznik čtyř haploidních (n) buněk
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-20/CB20.html
Diploidní - 2n
92 dsDNA
Diploidní - 2n
46 dsDNA
Haploidní - n
46 dsDNA
Čtyři pohlavní buňky (haploidní, n, 23 dsDNA)
Pár homologních
chromozomů
Sesterské
chromtaidy
Replikace DNA
Meióza I
Meióza II
Spermatogeneze
Spermatidy
(haploidní)
Spermie
(haploidní)
Spermatogonium
(diploidní)
Oogeneze
Polární tělíska
(haploidní)
Oocyt
(haploidní)
Oogonium
(diploidní)
Meióza I - redukční dělení
• separace homologních chromozomů
s různými alelami genu
Profáze I
• párování homologních chromozomů, chromozomy spojeny synapsí
• crossing-over (homologní rekombinace) - výměna částí chromozomů, zajišťuje genetickou
rekombinaci u potomků
• kondenzace chromozomů, tvorba dělícího vřeténka, rozpad jaderné membrány
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-20/CB20.html
Kondenzace
duplikovaných
chromozomů
Jaderná membrána Rozpad jaderné
membrány
Tvorba bivalentu
Chiazma
Tvorba
synaptonemálního
komplexu
Zahájení synapse Dokončení synapse
crossing-over
Rozpad synapse
viditelná chiazmata
Zrekombinované
chromozomy
Gen X
Homologní chromozomy
(stejné geny, různé alely)
Sesterské chromatidy
(stejné geny, stejné alely)
Meióza I - redukční dělení
Metafáze I
• seřazení párů homologních chromozomů v ekvatoriální rovině
Anafáze I
• separace homologních chromozomů a jejich pohyb k pólům dělícího vřeténka
• sesterské chromatidy zůstávají spojeny v oblasti centromer
Telofáze I
• rozpad dělícího vřeténka, obnova jaderné membrány
• cytokineze dělí buňku na dvě
http://satameiosis.weebly.com/meiosis-slideshow.html
Centrozomy
Jaderná
membrána
Chromatin
Chiazmata
Vřeténko
TetrádaSesterské
chromatidy
Kinetochorové
mikrotubuly
Metafázní
destička
Centromera
s kinetochorem Separace homologních
chromozomů
Sesterské chromatidy
nedotčeny
Dělící rýha
Dvě haploidní buňky;
chromozomy stále zdvojeny
Rozchod homologních
chromozomů
Seřazení tetrád
v ekvatoriální rovině
Párování homologních chromozomů
Výměna segmentů
Replikace chromozomů
Interfáze Profáze I Metafáze I Anafáze I Telofáze I
Meióza II - separační dělení
• separace sesterských chromatid, které
obsahují stejnou genetickou informaci
Profáze II rozpad jaderné membrány, tvorba dělícího vřeténka
Metafáze II seřazení chromozomů v ekvatoriální rovině
Anafáze II separace sesterských chromatid a jejich pohyb k opačným pólům vřeténka
Telofáze II rozpad dělícího vřeténka, obnova jaderné membrány, cytokineze
Gen X
Sesterské chromatidy
(stejné geny, stejné alely)
http://satameiosis.weebly.com/meiosis-slideshow.html
Telofáze I Profáze II Metafáze II Anafáze II Telofáze II
Dělící rýha
Dvě haploidní buňky;
chromozomy stále zdvojeny
Během meiózy II dochází ke konečné separaci sesterských chromatid.
Vznikají čtyři haploidní dceřiné buňky, které obsahují jednu kopii každého chromozomu.
Sesterské
chromatidy
Mitóza Meióza
Replikace DNA Během interfáze, před mitózou Během interfáze, před meiózou, pouze jednou
Počet dělení 1 2
Synapse homologních
chromozomů
Neprobíhá
Probíhá spolu s crossing-overem mezi
nesesterskými chromatidami během profáze I.
Počet dceřiných buněk
a jejich genetický obsah
Dvě diploidní (2n) dceřiné buňky,
genetický identické s rodiči.
Čtyři haploidní (n) dceřiné buňky, obsahují
polovinu počtu chromozomů rodičovské buňky,
genetický odlišné od rodičů i mezi sebou.
Úloha v lidském těle
Produkce buněk pro růst a opravy
organismu.
Produkce gamet které zajišťují genetickou
rozmanitost při sexuálním rozmnožovaní.
Meióza
• čtyři haploidní buňky s jednou kopií každého chromozomu
• crossing-overem vznikají různé kombinace alel různých genů v rámci chromozomu
• meióza je základem pro pohlavní rozmnožování
• potomstvo je geneticky odlišné od svých rodičů i sourozenců
• genetická rozmanitost pochází z:
i) nezávislý výběr chromozomů během meiózy I
ii) náhodné oplodnění: náhodné oplození vajíčka spermií
iii) crossing-over: nové kombinace alel v rámci chromozomu
http://www.zo.utexas.edu/faculty/sjasper/bio301l/division.html
Řízení buněčného cyklu
• při dělení reagují buňky na svoji velikost a extracelulární signály (přítomnost živin, růstových
faktorů, stresových faktorů, poškození DNA)
• u savců převládá vliv růstových faktorů a mitogenů
Principy řízení buněčného cyklu
• mitóza neproběhne před koncem replikace DNA, replikace DNA neproběhne bez rozdělení buňky
• poškozená DNA se nesmí replikovat a předat do dceřiných buněk
• chybně spárované chromozomy nesmí dokončit mitózu
http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/control/
i) posttranslační modifikace proteinů
- fosforylace: reverzibilní, proteinkinázy
- proteolýza: ireverzibilní, ubikvitinem + proteazom
ii) kontrolní body buněčného cyklu
Zdravá tkáň: řízený růst buněk
Nádor: nekontrolovaný růst buněk
Řízení buněčného cyklu - historie
Potu Rao, Robert Johnson (1970)
• fúze buněk v různých fázích cyklu, vznik heterokaryonu
• buněčný cyklus řízen signály v cytoplazmě
• řízení cyklu ve dvou místech - G1/S přechod, G2/M přechod
http://csls-text3.c.u-tokyo.ac.jp/active/13_01.html
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html; http://www.slideshare.net/ayesexy/cell-cycle-9451819
S G1 M G1 M MS S S G2 S G2
Cytoplazma buňky v S fázi obsahuje faktory, které
indukují syntézu DNA v jádře ve fázi G1
Existuje cytoplazmatický faktor, který indukuje M fázi,
a ke kterému je jádro citlivé po celý buněčný cyklus
Opětovná syntéza DNA v G2 jádře G2 nenastává.
Inhibice opakované replikace je odstraněna mitózou.
Yoshio Masui, Clement Markert (1971)
• faktor MPF (mitosis-promoting factor), dimer složený z proteinkinázy (CDK) a cyklinu
• Xenopus laevis - modelový organismus, velké oocytům
Odběr cytoplazmy
ze zralého oocytu
Injekce cytoplazmy
do nezralého oocytu
Meióza Zralý oocyt
Cyklin-dependentní-proteinkinázy (Cdk)
• fosforylace specifických proteinů
• aktivita regulována
i) aktivita v komplexu s cyklinem
ii) Tyr fosforylační místa - aktivační, inhibiční
- fosforylace specifickými kinázami, defosforylace fosfatázami
iii) inhibitory
• u člověka 5 enzymů
G1 CDK4, CDK2, CDK6
S CDK2
G2 CDK2, CDK1
M CDK1
Faktory zajišťující řízení buněčného cyklu
Inhibitory CDK (CKI)
• negativní regulátory průchodu BC
• váží se na CDK a tlumí jejich aktivitu, zástava buněčného cyklu v G1
• např. p21
CDK
Cyklin
Aktivní CDK
Aktivační kináza
Inaktivační kináza
Aktivační
fosfatáza
http://slideplayer.com/slide/2304039/
Fáze BC Cyklin CDK Funkce
G1 D, E CDK4, CDK6, CDK2 Umožňují překonat bod restrikce v pozdní G1
S A, E CDK2 Umožňují zahájit replikaci DNA
G2 A CDK2, CDK1 Navádějí buňku k M fázi
M B CDK1 Podporují mitotické děje
Cykliny
• komplexy s Cdk, aktivují Cdk a určují jejich substrátovou specifitu
• jejich koncentrace kolísá během fází BC - specifická syntéza / ubikvitinace a proteolýza
Faktory zajišťující řízení buněčného cyklu
• u člověka 4 rodiny
Proteazom
Ubikvitin
CDK Cyklin
http://www.bioscirep.org/content/30/4/243 http://tbl.med.yale.edu/cell_growth_control_reading.php
https://www.boundless.com/biology/textbooks/boundless-biology-textbook/cell-reproduction-10/control-of-the-cell-cycle-89/regulator-molecules-of-the-cell-cycle
Řízení buněčného cyklu - raná G1
http://tbl.med.yale.edu/cell_growth_control_reading.php
Cyklin D - CDK4/6
• cyklin D - senzor mitogenních signálů
• aktivace transkripčních faktorů, které zajišťují expresi replikačních proteinů a cyklinu E
• sestavení pre-replikačních komplexů v místech ori
• odpověď na mitogenní signály
př. EGF - EGFR - GEF faktor - Ras protein - MAP kinázy - transkripční faktory - exprese cyklinu D
• inhibice antimitogenními signály
př. TGFβ - TGFβR - transkripční faktor Smad3, Smad4 - exprese CDK inhibitoru
Mitogenní signalizace
Receptorová
tyrozinproteinkináza
GEF faktor
Cyklin D
Transkripce
Jun
Fosforylace
Antimitogenní signalizace
Fosforylace
Smad3
Receptorová serin/
threonin kináza
Transkripce
Cyklin D neaktivuje CDK4
Cyklin D - CDK4/6, cyklin E - CDK2
• transkripce cyklinu E řízena transkripčními faktory E2F
• Rb protein (pRb) aktivní v nefosforylované formě, inhibován fosforylací
• v G0 a G1 inhibuje pRB expresi cyklinu E
• po fosforylaci (cyklin D - CDK4/6) se pRb uvolňuje a E2F spouští expresi cyklinu E, cyklinu A a
replikačních proteinů
• pozitivní zpětná vazba - cyklin E tvoří komplex s CDK2 a dokončuje fosforylaci pRb
Řízení buněčného cyklu - přechod G1/S
http://tbl.med.yale.edu/cell_growth_control_reading.php
Transkripce cyklinu E
Funkce pRB v řízení BC
Pozitivní zpětná vazba
Řízení buněčného cyklu - S fáze
Cyklin A - CDK2
• fosforylace složek pre-iniciačního komplexu
• výsledkem S fáze je vznik dvou sesterských chromatid každého chromozomu spojených
molekulami kohezinu
S G1 S S
S G2 S G2
Cytoplazma buňky v S fázi obsahuje cyklin E - CDK2
a cyklin A - CDK2. Již není třeba mitogenní signál.
V jádře G2 buňky neproběhne opakovaná S fáze
v důsledku absence pre-iniciačních komplexů.
http://tbl.med.yale.edu/cell_growth_control_reading.php http://genesdev.cshlp.org/content/22/22/3089/F2.expansion.html
kohezin
G1 S M - profáze M - metafáze
MPF (mitosis-promoting factor) = cyklin B - CDK1
• koncentrace cyklinu B roste průběžně během celé interfáze
• CDK1 - inhibiční fosforylace (Wee1) odstraněna fosfatázou (Cdc25), aktivační fosforylace (CAK)
• nárůst aktivity MPF je skokový, při maximální hladině cyklinu B a po odstranění inhibiční fosforylace
Řízení buněčného cyklu - přechod G2/M
Cyklin B
CDK1
CAK
Wee1 Aktivační
Inaktivační
Inaktivní
Cdc25
Aktivní
Cdc25
Aktivní
MPF
http://tbl.med.yale.edu/cell_growth_control_reading.php
http://faculty.samford.edu/~djohnso2/44962w/405/_14thecellcycle.html http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html
Jaderné membrány
Jaderný pór
Jaderná lamina
MPF
Laminové
dimery
MPF fosforyluje cílové proteiny brzké fáze mitózy
• kondenzace chromatinu - aktivace kondenzinů
• rozpad jaderné membrány - depolymerace laminů
• tvorba mitotického vřeténka - aktivace centrozomů
Řízení buněčného cyklu - M fáze
APC, anaphase-promoting complex
• aktivován v pozdní mitóze působením MPF
• funguje jen po připojení proteinu Cdc20, ten je blokován proteiny Mad a Bub, které ho uvolňují
až po správném připojení kinetochorů všech chromozomů k mikrotubulům vřeténka
• připojuje ubikvitin k proteinům, které řídící mitózu
i) sekurin
• jeho rozklad uvolňuje separázu, která degraduje proteiny spojující sesterské chromatidy
ii) cyklin B
• inaktivace MPF, konstitutivně aktivní fosfatázy odstraňují fosfátové skupiny z proteinů,
které byly fosforylovány MPF, zakončení mitózy, vstup do nové G1
Volný
chromozom
Chromozom
připojený
k vřeténku
Proteiny
Mad a Bub
Cdc20
APC
Komplex Mad/Bub
inhibuje Cdc20
Inaktivní
APC Aktivní APC
MPF
Cdc20
Sekunrin
Inaktivní
separáza
Aktivní
separáza
Mitotické
vřeténko
Kohezin
Rozštěpený
kohezin
Ubikvitinace a degradace
sekurinu
G2 Metafáze Anafáze
APC
Degradace cyklinu B
Vzrůstající koncentrace cyklinu B
G2/M přechod
https://www.studyblue.com/notes/note/n/adv-cell-bio-chapter-17-exam-iii/deck/8669501 http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html
Inhibitory CDK (CKI)
Rodina INK4 (INhibitors of Kinase 4)
• p16, p15, p18, p19
• inhibují cyklin D - CDK4/6, zástava v G1
Rodina CIP (CDK Inhibitory Proteins)
• p21 (cílový gen proteinu p53), p27, p57
• inhibují cyklin D - CDK4/6, cyklin E - CDK2, cyklin A CDK2,
cyklin B - CDK1
Farmakologické inhibitory CDK
• deregulace CDK u různých chorob, farmakologické inhibitory blokující ATP vazebné místo CDK
• selektivní účinek inhibitorů možno využít pro léčebné účely
- nádory, neurodegenerativní choroby (Alzheimerova choroba, ALS, mrtvice)
- kardiovaskulární choroby (ateroskleróza, hypertrofie srdce)
- virové infekce (HCMV, HIV, HSV, HPV)
- parazitická protozoa (malárie, spavá nemoc)
aktivní p16
cyklin D
CDK4
inaktivní
komplex
cyklin D
CDK4
aktivní
komplex
p16 chybí
aktivní Rb
inaktivní Rb
aktivní E2F
exprese genů
S fáze
NEPROLIFERUJÍCÍ
BUŇKA
PROLIFERUJÍCÍ
BUŇKA
Kontrolní body buněčného cyklu
• vnímají vnější i vnitřní podněty a zajišťují správný chod BC
• kontrola dokončení předchozí fáze a splnění podmínek pro fázi
následující
Kontrolní bod G1 - bod restrikce
• vnější faktory - živiny, mitogeny, antiproliferační faktory
• po jeho překonání mohou BC zastavit už jen vnitřní faktory
- celistvost DNA
- velikost buňky (kvasinky)
Kontrolní bod G2
• dokončení replikace DNA
• celistvost DNA
• velikost buňky (kvasinky)
Kontrolní bod M
• přechod metafáze-anafáze
• správné připojení chromozomů k mitotickému vřeténku
https://sharonap-cellrepro-p2.wikispaces.com/The+Cell+Cycle
https://adapaproject.org/bbk_temp/tiki-index.php?page=Leaf%3A+What+happens+at+each+of+the+cell+cycle+checkpoints%3F
Kontrolní body buněčného cyklu
Vnější podněty - chemické
• živiny, signály pro růst, dělení a přežití
i) mitogeny - stimulují dělení buněk, přechod G1/S
ii) růstové faktory - stimulují růst buněk, syntézu makromolekul
iii) faktory pro přežívání - potlačují apoptózu
Vnější podněty - fyzikální
• prostor a povrch pro adherenci
Účinky PDGF
na fibroblasty
pojivové tkáně
Fragmentace
pojivové
tkáně
Degradace ECM
Zisk fibroblastů
Umístění buněk
do kultivačních
nádob
Bez PDGF Přídavek PDGF
Normální buňka Nádorová buňka
Závislost na povrchu pro adherenci
Inhibice růstu nedostatkem prostoru
http://www.slideshare.net/msarwa/the-cell-cycle-15819946 https://www.studyblue.com/notes/note/n/ch-12-mitosis-lecture/deck/6936213
Kontrolní body buněčného cyklu
Vnitřní podněty
• celistvost DNA, připojení chromozomů k dělícímu vřeténku
Poškození DNA
• fyzikální a chemické mutageny, zástava v BC v G1 nebo G2
• opravitelné poškození - zastavení BC do doby opravení DNA x rozsáhlé poškození - apoptóza
• nádorové supresory
ATM, ATR - rozpoznání poškozené DNA, aktivace CHK1 / CHK2
CHK1, CHK2 - aktivace p53, inhibice Cdc25
p53 - zvýšení hladin CKI
http://www.nature.com/nrm/journal/v8/n8/fig_tab/nrm2227_F4.html http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n3/fig_tab/nrg0301_196a_F2.html
Inaktivní InaktivníAktivní
ds zlomUV poškození
apoptźa
ds zlom
Kontrolní body buněčného cyklu
p53
• nádorový supresor
• nízká hladina, průběžná degradace, Mdm2 zajišťuje transport p53
z jádra k proteazomu
• stabilizován ve stresových situacích (poškození DNA)
• působí jako transkripční faktor, indukuje
- zastavení BC: exprese p21/CIP
- zastavení replikace DNA: inaktivace DNA polymerázy δ
- zastavení mitózy: inaktivuje cdc25
- apoptózu: exprese Bax, Puma
http://www.medicalrealm.net/what-is-genetic-disorder---li-fraumeni-syndrome.html http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html
Deficit p53
• průchod BC s poškozenou DNA
• Li-Fraumeniho syndrom
- dědičný syndrom, inaktivační mutací p53
- zvýšené riziko vzniku nádoru (sarkomy, nádory mozku, prsu,…)
- 50 % riziko nádoru do 40 let věku, 90% do 60 let věku
CHK1, CHK2
Poškozená DNA
Aktivace
Aktivace
Degradace
Inhibice
CKI
Cyklin - CDK
Nedochází k fosforylaci
pRb
Nedochází k inhibici
apoptózy
Inhibice
ZASTAVENÍ
BC
APOPTÓZA
Kontrolní body buněčného cyklu
Kontrolní bod dělícího vřeténka
• vstup do anafáze, připojení chromozomů na kinetochorové mikrotubuly dělícího vřeténka
• poškození tohoto kontrolního mechanismu vede k poškození a nondisjunkci chromozomů
i) kontrolní bod zapnut
• nepřipojené kinetochory aktivují Mad a Bub
• komplex APC-Cdc20 v inaktivním stavu
ii) kontrolní bod vypnut
• správná vazba chromozomů na kinetochorové
mikrotubuly vyvolává v chromozomech
mechanické napětí
• netvoří se komplex Mad-Bub
• komplex APC-Cdc20 degraduje sekurin
http://www.nature.com/onc/journal/v23/n11/fig_tab/1207374f1.html
Faktory ovlivňující průchod BC
http://www.nature.com/nrc/journal/v11/n1/full/nrc2982.html
• mitogeny - exprese cyklinu D
• antimitogení, diferenciační faktory - exprese CKI
• stárnutí buňky - exprese CKI
• poškození DNA - zástava BC přes p53
• virové infekce (např. HPV, lidský papilomavirus) - inhibice p53 a pRb
Poškození DNA
Senescence
Diferenciace Mitogeny
Poruchy řízení buněčného cyklu
Nádorová onemocnění
• nádorové buňky nepotřebují k dělení růstové faktory
• zvýšená proliferace buňky podpoří její transformaci do
buňky nádorové
• nádor je v podstatě selhání kontroly buněčného dělení,
nekontrolovatelný růst buněk
• protoonkogeny
- aktivují proliferaci buněk
- při abnormální aktivaci či ztrátě jejich inhibice podporují
vznik nádoru
- př. růstové faktory, cykliny, CDK, E2F, Mdm2, Ras
• nádorové supresory
- potlačují dělení buněk
- inaktivace či zvýšená inhibice podporuje vznik nádoru
- př. pRb, p53, p21, p14, p16, TGF-β, ATM
https://www.quora.com/How-does-the-cell-cycle-play-a-role-in-cancer
Protoonkogen
Mutovaný protoonkogen
- onkogen
Normální růst buněk
Ztráta kontroly růstu
Normální růst buněk
Normální růst buněk Ztráta kontroly růstu
Normální růst buněk
Mutovaný
nádorový supresor
Mutované
obě alely genu
Poruchy řízení buněčného cyklu
Početní změny chromozomů (aneuploidie)
• normální karyotyp 46, XX(Y) monozomie - např. 45, X trizomie - např. 47, XY +21
• chyby v kontrolním bodu dělícího vřeténka
i) chyby v mitóze
• opoždění chromozomu v anafázi a jeho nezačlenění do dceřiného jádra
• vnik mozaicismu
ii) chyby v meióze
• nondisjunkce - vznik nulizomické / trizomické gamety, monozomie/trizomie po oplození
• opoždění chromozomu v anafázi: vnik nulizomické gamety
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html http://www.nature.com/onc/journal/v32/n39/fig_tab/onc2012615f2.html
Opoždění chromozomu v anafázi BC
Nondisjunkce chromozomů v meióze
n+1 n+1 n-1 n-1 n+1 n-1 n n
G2/M
přechod
Bod restrikce
Přechod
metafáze -
anafáze
Odbouraný
mitotický cyklin
Odbouraný
G1 cyklin
APC
Aktivní mitotický
komplex cyklin-CDK
Aktivní G1 komplex
cyklin-CDK
Cyklin E/A - CDK2Cyklin A - CDK2
Cyklin A/B - CDK1
Vstup do S fáze
Cyklin D - CDK4/6
ATM/R
p53
p21
Poškozená DNA
Poškozená DNA
ATM/R
p53
p21 Cdc25A
p21
Poškozená DNA
Vstup do M fáze
ATM/R
p53
p21 Cdc25C
CHK1
ATR
Poškozená
DNA
Nezreplikovaná
DNA
Mad2
Kontrola připojení chromozomů
k dělícímu vřeténku
Mitogeny
p53
p21 Cdc25A
p21ATM/R
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-19/CB19.html
Zvídavé otázky
Kolik buněk vzniká z jedné buňky, která podstoupí meiózu?
Do jakých dvou hlavních fází se rozděluje buněčný cyklus?
Jaké buňky se množí pomocí mitózy?
Jaký typ mikrotubulů je zodpovědný za vazbu chromozomů během M fáze BC?
Jak se nazývá fáze buněčného cyklu, při které se buňka fyzicky rozdělí na dvě?
Jaká struktura zastává při mitóze funkci obdobnou chiasmatům při meióze?
Vstup do jaké fáze buněčného cyklu signalizuje aktivní komplex MPF?
Ke vstupu do jaké fáze buněčného cyklu vede degradace G1 fázových cyklinů?
Rozpad jaderné membrány odpovídá začátku prometafáze (ANO/NE)
Při mitóze jsou jádra dceřiných buněk geneticky shodné s jádrem mateřské buňky (ANO/NE)
Během mitotické profáze obsahuje každý chromozom dvě chromatidy (ANO/NE)
Homologní chromozomy se párují během mitotické profáze (ANO/NE)
Začátek anafáze je inhibován až do seřazení všech chromozomů v ekvatoriální rovině (ANO/NE)
Buňky v G0 fázi buněčného cyklu obsahují stejné množství DNA jako ve fázi G2 (ANO/NE)
Zvídavé otázky
Co je cílem ubikvitnace komplexem APC na začátku anafáze?
a) sekurin
b) separáza
c) kohezin
d) tubulin
Jaké z následujících tvrzení porovnávajících mitózu a meiózu není pravdivé?
a) oba procesy využívají dělící vřeténko z mikrotubulů
b) po obou procesech následuje cytokineze
c) oba procesy jsou pečlivě regulovány
d) v obou procesech probíhá během profáze crossing-over
e) oba procesy zahrnují redukci obsahu DNA v dceřiných buňkách
Jaké z následujících tvrzení o anafázi buněčného cyklu není pravdivé?
a) zmenšuje se vzdálenost mezi kinetochory a póly dělícího vřeténka
b) zvětšuje se vzdálenost mezi dvěma sadami dceřiných chromatid
c) rozpadají se mikrotubuly dělícího vřeténka
d) zvětšuje se vzdálenost mezi oběma póly dělícího vřeténky
e) dochází k cyklin-dependentní aktivaci CDK1